CN110376240A - 一种纵向热流法微米线导热系数测试装置 - Google Patents

一种纵向热流法微米线导热系数测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纵向热流法微米线导热系数测试装置，该装置由测试器件、基座、以及可选的用于连接两者的压块构成。测试器件采用低热导率绝缘板材切制，器件中心是一个热源和一个热沉，在热源和热沉表面制备有加热和检测用金属线圈，其中加热线圈用于产生焦耳热以加热热源，检测线圈用于检测热源、热沉温度。热源和热沉分别通过六根细长梁同器件的边缘相连。样品悬放在测试器件的热源和热沉中间，器件由基座两端支撑，支撑处为细长梁连接的器件两边缘，使用压块将测试器件和基座连接在一起。从测试器件边缘的焊盘上接出引线，连接至外部测试***。此发明装置结构简单，操作方便，能够准确地测试绝缘微米线的纵向导热系数。

Description

一种纵向热流法微米线导热系数测试装置
技术领域
本发明涉及一种测试装置，具体涉及一种纵向热流法微米线导热系数测试装置，属于固体材料热物性参数测试技术领域。
背景技术
本发明所述的微米线泛指直径在微米量级的纤维，或者厚度在微米量级的条状薄膜。微米线纵向导热系数可以采用直接通电法或3ω法来测量。这两种方法都需要在被测样品上施加直流或交流的加热电流，因此要求被测材料为导体或半导体。如果样品是绝缘体，需要在样品表面沉积一层金属膜，然后再进行测试。但是由于所沉积的金属膜在样品长度方向上厚度和质量的一致性无法保证，导致测试结果具有很大的不确定性。
纵向热流法可以用于测试微米线纵向导热系数。在该方法中，微米线放置于热源、热沉上，测试时热量从热源经过被测样品传导至热沉，并最终由热沉传导至基底上。同直流通电法或3ω法相比，该方法的优点是对被测样品的导电性能没有要求。然而，要使用该方法实现微米线纵向导热系数的高精度测量，同样存在一些困难。例如，为了提高热沉温度测量的相对精度，要求通过被测微米线传导的热量可以在热沉上产生足够高的温升。这就要求热沉和基底之间的热阻不能太小，要和被测微米线的热阻相当。这给纵向热流法微米线导热系数测试装置的设计带来了很大的挑战。本领域的技术人员一直尝试解决上述问题，但是现有技术中的方案均不理想。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种纵向热流法微米线导热系数测试装置，该技术方案通过合理设计热源、热沉与基底之间的热阻，该装置可以实现微米线纵向导热系数的高精度测量。当被测样品为导体或半导体时，该装置还可以实现样品的电导率和塞贝克系数的测量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种纵向热流法微米线导热系数测试装置，由测试器件、基座、以及可选的用于连接两者的压块构成；
所述测试器件采用低导热系数绝缘板材切制，器件中心是一个热源和一个热沉，热源和热沉分别通过六根细长梁同器件的边缘相连。在热源的一个表面上制备均布的金属加热线圈，对加热线圈施加电流，线圈会产生焦耳热，从而实现热源的升温。
采用电阻测温法实现热源与热沉温度的测量。为此需要在热沉一个表面上制备均布的金属检测线圈，通过检测线圈电阻的变化来得到热沉的温度。对于热源而言，可以同时将加热线圈用作检测线圈，也可以在热源的另一个表面再制备一个专门的检测线圈。第一种方案可以简化器件的制备过程，但加热电路和检测电路耦合在一起，增加了检测难度。第二种方案通过增加一道制备工序，将加热电路和检测电路独立开来，降低了检测难度。
当被测样品为导体或半导体时，为了避免加热/检测线圈同被测样品电短路，将加热线圈和检测线圈使用绝缘胶封装。
在热源、热沉的正面上，二者相邻的边缘位置处，各自制备两条裸露的电极。这四条电极用于导体、半导体微米线的导电性能和塞贝克系数的测量。
被测样品搭接在热源、热沉上。当只需要测试样品的导热系数时，在被测样品和热源、热沉接触处涂抹银胶或类似产品，降低被测样品同热源、热沉之间的接触热阻。当不仅需要测试样品的导热系数，还需要同时测试样品的导电性能和塞贝克系数时，要保证被测样品同热源、热沉上的裸露电极充分接触，并在接触处涂抹导电胶，保证样品和电极之间具有良好的电接触。
器件的边缘部位制备有焊盘。热源、热沉上面的加热线圈、检测线圈、以及电极都经过器件的细长梁连接到焊盘上，通过在焊盘上焊接导线与外部电路连接。
器件由基座两端支撑，支撑处为细长梁连接的器件两边缘。这样器件的热源、热沉即变为悬置，热源、热沉上的热量需要通过细长梁传导至器件边缘，进而传导至基座中。由于器件由低热导率绝缘板材切制出来，同时细长梁具有小的横截面积，通过调整细长梁的长度，可以保证热沉和基座之间的热阻与被测微米线的热阻可比，从而保证通过被测微米线传导的热量可以在热沉上产生足够高的温升。
为了将器件细长梁上传输来的热量及时传导出去，保证器件边缘温度为环境温度，基底材料需要具有高的热导率。同时还要保证器件的边缘同基座紧密贴合，降低二者之间的接触热阻。为此，可以用一个压块来实现器件和基座之间的紧密贴合。为了达到贴合的效果同时保证器件不会被压坏，压块可由刚性材料和柔性材料叠加而成。
测试时，器件放置于真空恒温腔中，以消除对流换热对测试结果的影响，同时给基座提供一个设定的环境温度。
根据傅里叶定律建立热传导模型，可以得到被测微米线的热导率Gs为：
其中，Qh、Ql分别是加热线圈和一个细长梁上产生的焦耳热，通过测量加热电流、线圈和细长梁上的电压降计算得到。ΔTh、ΔTs分别为热源和热沉上的温升，且可以分别表示为：
式中，R(I)和R(0)分别为加热电流为I和0时的检测线圈的电阻，α为电阻温度系数，下标h和s分别表示热源和热沉。在测试中，使用交流四脚欧姆法测试检测线圈的电阻，得到R(I)和R(0)，基于不同温度下R(0)可以得到α，并由上面公式计算得到ΔTh、ΔTs。
在得到样品纵向热导率Gs后，可以计算出样品的导热系数κ：
其中，A为测试微米线样品的横截面积，L为悬空段样品长度。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，(1)该技术方案通过合理设计热源、热沉与基底之间的热阻，该装置可以实现微米线纵向导热系数的高精度测量；(2)此装置不仅可以测试微米线的纵向导热系数，当被测样品导电时，还可以同时测量样品的导电性能和塞贝克系数。
附图说明
图1是本发明整体结构装配示意图；
图2是器件正面结构示意图；
图3是器件背面结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：参见图1、图2，一种纵向热流法微米线导热系数测试装置，由测试器件100、基座200、以及可选的用于连接两者的压块300构成；所述测试器件采用低导热系数绝缘板材切制，器件中心是一个热源101和一个热沉107，热源和热沉分别通过六根细长梁同器件的边缘相连。在热源的一个表面上制备均布的金属加热线圈108，对加热线圈施加电流，线圈会产生焦耳热，从而实现热源的升温。
采用电阻测温法实现热源与热沉温度的测量。为此需要在热沉一个表面上制备均布的金属检测线圈，通过检测线圈电阻的变化来得到热沉的温度。对于热源而言，可以同时将加热线圈用作检测线圈，也可以在热源的另一个表面再制备一个专门的检测线圈。第一种方案可以简化器件的制备过程，但加热电路和检测电路耦合在一起，增加了检测难度。第二种方案通过增加一道制备工序，将加热电路和检测电路独立开来，降低了检测难度。
当被测样品为导体或半导体时，为了避免加热/检测线圈同被测样品电短路，将加热线圈和检测线圈使用绝缘胶封装。在热源、热沉的正面上，二者相邻的边缘位置处，各自制备两条裸露的电极。这四条电极用于导体、半导体微米线的导电性能和塞贝克系数的测量。
被测样品搭接在热源、热沉上。当只需要测试样品的导热系数时，在被测样品和热源、热沉接触处涂抹银胶或类似产品，降低被测样品同热源、热沉之间的接触热阻。当不仅需要测试样品的导热系数，还需要同时测试样品的导电性能和塞贝克系数时，要保证被测样品同热源、热沉上的裸露电极充分接触，并在接触处涂抹导电胶，保证样品和电极之间具有良好的电接触。
器件的边缘部位制备有焊盘。热源、热沉上面的加热线圈、检测线圈、以及电极都经过器件的细长梁连接到焊盘上，通过在焊盘上焊接导线与外部电路连接。
器件由基座两端支撑，支撑处为细长梁连接的器件两边缘。这样器件的热源、热沉即变为悬置，热源、热沉上的热量需要通过细长梁传导至器件边缘，进而传导至基座中。由于器件由低热导率绝缘板材切制出来，同时细长梁具有小的横截面积，通过调整细长梁的长度，可以保证热沉和基座之间的热阻与被测微米线的热阻可比，从而保证通过被测微米线传导的热量可以在热沉上产生足够高的温升。
为了将器件细长梁上传输来的热量及时传导出去，保证器件边缘温度为环境温度，基底材料需要具有高的热导率。同时还要保证器件的边缘同基座紧密贴合，降低二者之间的接触热阻。为此，可以用一个压块来实现器件和基座之间的紧密贴合。为了达到贴合的效果同时保证器件不会被压坏，压块可由刚性材料和柔性材料叠加而成。
测试时，器件放置于真空恒温腔中，以消除对流换热对测试结果的影响，同时给基座提供一个设定的环境温度。
根据傅里叶定律建立热传导模型，可以得到被测微米线的热导率Gs为：
其中，Qh、Ql分别是加热线圈和一个细长梁上产生的焦耳热，通过测量加热电流、线圈和细长梁上的电压降计算得到。ΔTh、ΔTs分别为热源和热沉上的温升，且可以分别表示为：
式中，R(I)和R(0)分别为加热电流为I和0时的检测线圈的电阻，α为电阻温度系数，下标h和s分别表示热源和热沉。在测试中，使用交流四脚欧姆法测试检测线圈的电阻，得到R(I)和R(0)，基于不同温度下R(0)可以得到α，并由上面公式计算得到ΔTh、ΔTs。
在得到样品纵向热导率Gs后，可以计算出样品的导热系数κ：
其中，A为测试微米线样品的横截面积，L为悬空段样品长度。
应用实施例1：参见图1-图3，本实施案例中的纵向热流法微米线导热系数测试装置如图1所示，由测试器件100、基座200、以及可选的用于连接两者的压块300构成。
所述测试器件100如图2所示，整体采用厚度为1mm的FR-4板材切制而成。FR-4板材具有较低的导热性能，其热导率约为0.294W/m-K。器件100包括一个热源101和一个热沉107，热源101、热沉107分别通过六根细长梁103同器件100的边缘104相连。热源101、热沉107为正方形，边长为10mm。依据测试需要，热源101与热沉107间的距离可为4-16mm不等。在热源101、热沉107的背面制备均布的铜加热线圈108，其中铜线宽0.2mm，厚35μm，总长度约为285mm。为了使用方便，我们在热源101和热沉107的背面都制备了铜加热线圈108，这样器件100的热源101、热沉107是完全对称的，在同外部电路接线时无需区分哪边是热源101，哪边是热沉107。
在热源101、热沉107正面制备相同的铜检测线圈102，通过检测线圈102电阻的变化可以得到热源101、热沉107的温度变化。检测线路铜线宽0.1mm，厚35μm，总长273mm。为了避免检测线圈102同被测的导电样品400直接连通，在检测线圈102上涂抹一层油墨阻焊(PSR-4000GF5)。
在热源101、热沉107正面，二者相邻的边缘位置，各自制备两条裸露的铜电极106。电极106宽度分别为0.5mm和0.3mm，间隔0.9mm。这四条电极106外接电源1000和电流表900、电压表1100，用于导体、半导体的导电性能和塞贝克系数的测量。
被测样品400搭接在热源101、热沉107上。当只需要测试样品400的导热系数时，在被测样品400和热源101、热沉107接触处涂抹导电银胶或类似产品，降低被测样品400同热源101、热沉107之间的接触热阻。当不仅需要测试样品400的导热系数，还需要同时测试样品400的导电性能和塞贝克系数时，要保证被测样品400同热源101、热沉107上的电极106充分接触，并涂抹导电银胶于样品400和电极106接触处，保证样品400和电极106之间具有良好的电接触。
器件100的边缘104的正面制备焊盘105。热源101、热沉107上面的加热线圈108、检测线圈102、以及电极106都经过器件100的细长梁103连接到焊盘105上，通过在焊盘105上焊接导线与外部电路连接。
器件100由基座200两端支撑，支撑处为细长梁103连接的器件100两边缘104。这样器件100的热源101、热沉107即变为悬置，热源101、热沉107上的热量需要通过细长梁103传导至器件100的边缘104，进而传导至基座200中。
器件100是由导热系数为0.294W/m-K的绝缘FR-4板材切制出来，加上细长梁103的横截面积只有0.6mm2，细长梁103的单根长度为13mm，因此从热沉107和基座200之间的总热导约为8.14154×10-5W/K。假设被测微米线的悬空段长度为5mm，宽度为1mm，厚度为10μm，样品的导热系数为10W/m-K，则样品热导率约为2×10-5W/K。两者比例约为4：1。从而保证通过被测微米线传导的热量可以在热沉107上产生足够高的温升。
为了将器件100的细长梁103上传输来的热量及时传导出去，保证器件100的边缘104的温度为环境温度，使用导热系数约为409W/m-K的无氧铜制作基座200。同时还要保证器件100的边缘104同基座200紧密贴合，降低二者之间的接触热阻。为此，用一个压块300来实现器件100和基座200之间的紧密贴合。为了达到贴合的效果，热源101、热沉107背面的加热线圈108需要接引到正面，再通过细长梁103连接到焊盘105上。为了保证器件100不会被压坏，压块300由铜片和PDMS薄膜叠加而成。
测试时，器件100放置于真空恒温腔中，以消除对流换热对测试结果的影响，同时给基座200提供一个设定的环境温度。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (7)

1.一种纵向热流法微米线导热系数测试装置，其特征在于，所述测试装置由测试器件、基座、以及用于连接两者的压块构成；
所述测试器件采用低导热系数绝缘板材切制，器件中心是一个热源和一个热沉，热源和热沉分别通过六根细长梁同器件的边缘相连，在热源的一个表面上制备均布的金属加热线圈，对加热线圈施加电流，线圈会产生焦耳热，从而实现热源的升温；
器件由基座两端支撑，支撑处为细长梁连接的器件两边缘，用一个压块来实现器件和基座之间的紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的纵向热流法微米线导热系数测试装置，其特征在于，在热源、热沉的正面上，二者相邻的边缘位置处，各自制备两条裸露的电极，这四条电极用于导体、半导体的导电性能和塞贝克系数的测量；
采用电阻测温法实现热源与热沉温度的测量，在热沉一个表面上制备均布的金属检测线圈，通过检测线圈电阻的变化来得到热沉的温度。
3.根据权利要求2所述的纵向热流法微米线导热系数测试装置，其特征在于，将加热线圈和检测线圈使用绝缘胶封装。
4.根据权利要求3所述的纵向热流法微米线导热系数测试装置，其特征在于，所述测试器件的边缘部位制备有焊盘，热源、热沉上面的加热线圈、检测线圈、以及电极都经过器件的细长梁连接到焊盘上，通过在焊盘上焊接导线与外部电路连接。
5.根据权利要求4所述的纵向热流法微米线导热系数测试装置，其特征在于，所述压块可由刚性材料和柔性材料叠加而成。
6.根据权利要求5所述的纵向热流法微米线导热系数测试装置，其特征在于，测试时，器件放置于真空恒温腔中。
7.采用权利要求1-6任意一项纵向热流法微米线导热系数测试装置的测量方法，其特征在于：被测样品搭接在热源、热沉上，当只需要测试样品的导热系数时，在被测样品和热源、热沉接触处涂抹银胶或类似产品，降低被测样品同热源、热沉之间的接触热阻。当不仅需要测试样品的导热系数，还需要同时测试样品的导电性能和塞贝克系数时，要保证被测样品同热源、热沉上的裸露电极充分接触，并涂抹导电胶于样品和电极接触处，保证样品和电极之间具有良好的电接触。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111077182A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 东南大学 一种液体辅助降低纳米带接触热阻的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160011131A1 (en) * 2012-07-03 2016-01-14 Electronics And Telecommunications Research Institute Thermal conductivity measuring device
CN105699419A (zh) * 2016-02-25 2016-06-22 东华大学 一种柔性薄膜材料塞贝克系数测定装置
CN106198616A (zh) * 2016-06-30 2016-12-07 上海第二工业大学 同步测试纳米流体传热系数及其对热电发电***发电效率影响规律的***和方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160011131A1 (en) * 2012-07-03 2016-01-14 Electronics And Telecommunications Research Institute Thermal conductivity measuring device
CN105699419A (zh) * 2016-02-25 2016-06-22 东华大学 一种柔性薄膜材料塞贝克系数测定装置
CN106198616A (zh) * 2016-06-30 2016-12-07 上海第二工业大学 同步测试纳米流体传热系数及其对热电发电***发电效率影响规律的***和方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ADILI AIYITI 等: "Measuring the thermal conductivity and interfacial thermal resistance of suspended MoS2 using electron beam self-heating technique", 《SCIENCE BULLETIN》 *
朱林: "一维纳米结构导热系数测量的3w法和悬空微器件法的对比研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *
赵扬 等: "氮化硼纳米管热物性的实验研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *
郭劼 等: "悬空氮化硼厚度依赖热导率研究", 《工程热物理学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111077182A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 东南大学 一种液体辅助降低纳米带接触热阻的方法
CN111077182B (zh) * 2019-12-31 2022-04-08 东南大学 一种液体辅助降低纳米带接触热阻的方法

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GR01 Patent grant
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